面向列车转向架主动探伤的柔性传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种面向转向架主动探伤的柔性压电传感阵列，利用压电阵列的电致伸缩效应和压电感知能力，柔性传感阵列贴合在高速列车转向架的构架复杂曲面上，主动电致伸缩功能单元在外加激励信号作用下产生Lamb波信号，其它压电被动感知检测主动单元发射Lamb波在转向架上传播的信号，与主动压电单元发送的Lamb波信号相比较，分析发射的Lamb波信号与检测到Lamb波信号之间的关系，用于检测转向架结构的损伤情况，预测高速列车转向架的结构损伤位置，实现高速列车转向架的在线健康监测。

Flexible sensing device and method for active flaw detection of train bogie

【技术实现步骤摘要】
面向列车转向架主动探伤的柔性传感装置及方法
本专利技术涉及轨道交通结构健康监测与柔性电子领域，特别涉及一种用于列车转向架主动探伤的柔性压电传感装置及方法。
技术介绍
转向架上部支撑车体，下部通过轴箱、车轴和轮对传力，承受并传递从车体至车轮之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力，是保障车辆安全行驶的关键结构，其结构健康状态直接影响整个列车的行驶状态，影响高速列车运行的动态性能、轮轨之间的振动、环境噪声等等，转向架结构健康监测技术具有广阔的应用空间，转向架结构健康检测技术极具研究价值。当前，高速列车转向架在运行过程中承受复杂的载荷行驶，其实测载荷、实测应力和试验标定的载荷密切相关，结构健康监测技术是指保留被检测对象完整性的条件下，运用声、光、电、磁等物理方法，对结构损伤进行实时监测。龚卫、陈喜红、贺世忠等公开了一种轨道车辆、转向架及脱轨检测装置，通过位移检测机构用于检测下侧梁相较于上侧梁的运动位移量是否大于预设值，在大于时，位移检测机构发出脱轨报警信号，实现转向架的结构健康监测(一种轨道车辆、转向架及脱轨检测装置，2019106826516)。目前高速列车转向架的结构健康监测装置主要是离线监测，在转向架中安装较为复杂，通过解析传感器采集的结构状态数据，以此来探测转向架的结构状态信息，对应探伤装置与检测方法还有待深入研究，面向转向架结构健康监测的柔性传感阵列与主动探伤方法将实现对列车转向架结构健康监测技术的快速发展，柔性压电传感阵列集成电致伸缩主动发射单元和被动压电感知单元，利用Lamb波技术实现，主动Lamb波监测技术的监测原理是通过激励器在结构件中产生激励信号，然后采集传感器中的响应信号，对接收到的Lamb波信号进行分析处理，从而提取出转向架损伤与损伤部位信息。实际中，高速列车转向架结构健康监测在业界与学界受到了越来越多的关注，特别是近年来我国轨道交通行业的高速发展，面向高速列车转向架的结构健康监测装置与方法都得到了快速发展。柔性电子技术具备超薄超轻特点，将与转向架复杂曲面保持共形，提高监测与采集信号的灵敏度。柔性压电传感阵列集成电致伸缩主动发射单元和被动压电感知单元，采用Lamb主动探伤技术应用于结构健康监测与环境状态测试，将在高速列车领域大有可为，实现柔性电子技术与轨道交通行业的深度融合。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的第一目的在于专利技术一种用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，利用压电阵列的电致伸缩效应和压电感知效应，所专利技术压电阵列中包括主动电致驱动单元和被动压电单元，通过柔性压电薄膜阵列的主动驱动和被动感知联合功能实现转向架结构健康监测。进一步地，本专利技术柔性传感阵列，具有超轻、超薄特点，贴合在高速列车转向架中构架部件的复杂曲面，并与之保持共形接触，不影响列车高速运动过程中的动态性能，提高监测列车转向架结构健康监测精度，为高速列车的稳定高效行驶提供技术支持。针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的第二目的在于专利技术一种基于柔性压电传感阵列的列车转向架主动探伤方法，利用Lamb(兰姆)波技术实现结构健康监测的主动探测，所专利技术的柔性3*3压电传感阵列，总共包含9个压电传感单元，其中一个主动发射Lamb波的压电单元，其在外加激励信号作用下产生Lamb波信号，Lamb波信号在转向架上进行传播。另外8个压电单元为被动感知信号单元，用于检测主动压电单元发射Lamb波在转向架传递中的信号，各个被动感知单元采集相应波信号，与主动压电单元发送Lamb波信号相比较，分析发射Lamb波信号与检测到Lamb信号间的关系，用于检测转向架结构损伤情况，实现高速列车转向架在线结构健康监测，提高列车行驶的安全等级。进一步地，所述的一种用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，通过微机电加工制备技术在多晶硅衬底上加工制备柔性压电传感阵列(主要包括薄膜沉积、光刻图案化、封装、激光剥离等)。通过激光剥离技术实现柔性压电传感阵列从多晶硅衬底上成功剥离，并将柔性压电传感阵列贴合在转向架焊接部位的侧曲面上，用于转向架结构健康的在线监测，所专利技术柔性压电传感阵列制备方法包括以下主要步骤：(1)采用标准清洗工艺清洗多晶硅衬底，支持柔性压电传感阵列的后续工艺制备；(2)旋涂制备牺牲层薄膜，并加热固化聚合物薄膜，支持后续的金属薄膜沉积与图案化工作；(3)在聚合物薄膜表面旋涂光刻胶，通过正胶反转工艺完成金属薄膜图案化，实现底电极的加工制备；(4)通过磁控溅射压电陶瓷薄膜，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成压电陶瓷薄膜图案化；(5)溅射金属薄膜用作顶电极，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成顶电极图案化；(6)旋涂聚合物薄膜，完成多层功能薄膜结构的封装，然后光刻图案化和氧气反应离子刻蚀工艺完成通孔结构制备；(7)通过磁控溅射制备金属薄膜，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成金属引线图案化，实现与功能薄膜的底电极和顶电极之间的互连；(8)调节激光剥离的工艺参数，实现柔性压电传感阵列从透明玻璃基上分离；(9)将成功剥离的柔性压电传感阵列转印到柔性衬底上，并将柔性感知装置贴合在高速列车转向架的构架复杂曲面上。进一步地，所述的一种用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，集成主动电致驱动单元和被动压电感知单元，主动压电单元在外加激励信号作用下产生Lamb波信号，并在转向架上进行传播，被动压电感知单元，检测主动压电单元发射Lamb波在转向架传递中的信号，分析发射信号与接收信号之间的关系，实现高速列车转向架的结构健康监测。进一步地，所述的一种用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，具有超薄、超轻特点，与高速列车转向架的兼容性强，不影响列车的正常行驶状态，便于大规模推广应用。本专利技术的柔性压电传感阵列采用微机电加工和激光剥离技术实现压电传感阵列的制造，支持工业规模批量生产制造。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本专利技术用于列车转向架主动探测的柔性压电传感阵列，具有超薄、超轻特点，与转向架中构架这一结构的复杂曲面表面共形接触，用于监测列车转向架的结构健康；本专利技术的柔性压电传感阵列，集成主动电致驱动单元和被动压电单元，利用压电阵列的电致伸缩效应和压电感知效应，通过主动发射Lamb波信号对列车转向架主动探伤，探测方式简便和精度高，柔软特性易于集成到列车转向架表面，有助于列车转向架的实时在线监测，主被动探伤方法适用性强，易于推广到高速列车其它部件的结构健康监测。本专利技术用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，包括主动电致驱动单元和被动压电单元，实现了主动探测列车转向架的结构健康和实时记录列车运行中转向架的结构健康信息，为列车转向架的损伤检测提供了新的柔软装置与检测方法，提高列车正常行驶的维护管理水平。综上所述，本专利技术的柔性压电传感阵列，具有超薄、超轻特点，实现了与转向架中构架的复杂曲面表面间无缝集成，不影响列车正常行驶，能够主动发射探测波信号用于列车转向架的结构探伤，同时还会实时记录列车长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向转向架主动探伤的柔性压电传感阵列，其特征在于，包括主动电致驱动单元和被动压电单元，具有超轻超薄特点，柔性压电传感阵列与高速列车转向架中的构架表面复杂曲面保持共形接触，不影响列车高速运动过程中动态性能，利用压电阵列的电致伸缩效应和压电感知效应实现转向架结构主动探伤，提高列车转向架结构健康监测精度。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向转向架主动探伤的柔性压电传感阵列，其特征在于，包括主动电致驱动单元和被动压电单元，具有超轻超薄特点，柔性压电传感阵列与高速列车转向架中的构架表面复杂曲面保持共形接触，不影响列车高速运动过程中动态性能，利用压电阵列的电致伸缩效应和压电感知效应实现转向架结构主动探伤，提高列车转向架结构健康监测精度。


2.根据权利要求1所述的面向转向架主动探伤的柔性压电传感阵列，其特征在于，能够实现转向架的主动探伤，主动电致驱动单元在外加信号激励下，产生Lamb（兰姆）波用于转向架结构健康监测的主动探测，其它压电单元为被动感知信号单元，用于检测主动压电单元发射Lamb波在转向架传递中的信号，采集到波信号与主动压电单元发送的Lamb波信号相比较，建立发射Lamb波信号与检测到信号之间的关系，用于检测转向架结构损伤情况，预测高速列车转向架损伤部位。


3.根据权利要求1和2所述的面向转向架主动探伤的柔性压电传感阵列，其特征在于，提出一种柔性压电传感阵列制造方法，主要包括以下步骤：
（1）采用标准清洗工艺清洗多晶硅衬底，支持柔性压电传感阵列的后续工艺制备；
（2）旋涂制备牺牲层薄膜，并加热固化聚合物薄膜，支持后续的金属薄膜沉积与图案化工作；
（3）在聚合物薄膜表面旋涂光刻胶，通过正胶反转工艺完成金属薄膜图案化，实现底电极的加工制备；
（4）通过磁控...

【专利技术属性】
技术研发人员：董文涛，黄永安，刘林芽，王晓明，朱臣，姚道金，
申请(专利权)人：华东交通大学，程宵，
类型：发明
国别省市：江西;36